光纖通信5第五章光檢測器與光接收機(jī)課件

光纖通信簡明教程總學(xué)時(shí)數(shù)40周學(xué)時(shí)4光纖通信原理全面表達(dá)光纖損耗特性

197020dB/km現(xiàn)0.2dB/km袁國良李元元編著主要參考書

方強(qiáng)《光纖通信》孫學(xué)康《光纖通信技術(shù)》1目錄第1章光纖通信概述第2章光纖的物理學(xué)基礎(chǔ)第3章光纖第4章光源和光發(fā)射機(jī)第5章光檢測器和光接收機(jī)第6章光纖通信系統(tǒng)與工程第7章SDH技術(shù)第8章光放大和色散補(bǔ)償技術(shù)第9章波分復(fù)用技術(shù)第10章光纖通信的高新技術(shù)2第5章光檢測器和光接收機(jī)本章內(nèi)容5.1光檢測器5.2光電檢測器的工作特性5.3光接收機(jī)5.4光接收機(jī)的噪聲5.5光接收機(jī)的誤碼率和接收靈敏度3第5章光檢測器和光接收機(jī)2．半導(dǎo)體的光電效應(yīng)當(dāng)光子照射到物體上時(shí)，它的能量可以被物體中的某個(gè)電子全部吸收，如果電子吸收的能量足夠大，超過了克服脫離原子所需要的電離能和脫離物體表面時(shí)所需的溢出功，電子就可以離開物體表面脫逸出來，成為光電子，這就是光電效應(yīng)。5第5章光檢測器和光接收機(jī)2．半導(dǎo)體的光電效應(yīng)圖b是PN結(jié)及其附近的能帶分布圖，能帶的高低是以電子（負(fù)電荷）的電位能為根據(jù)的，電位越負(fù)，能帶越高。由于光子的能量為hf，半導(dǎo)體光電材料的禁帶寬度為Eg，則當(dāng)光照射光電二極管上時(shí)，若hf≥Eg時(shí)就會(huì)產(chǎn)生光生“電子－空穴”對(duì)（光生載流子）。6第5章光檢測器和光接收機(jī)2．半導(dǎo)體的光電效應(yīng)設(shè)fc為截止頻率，λc為截止波長，則Eg＝hfc，

所以λc＝hC/Eg

當(dāng)入射光波長λ<λc時(shí)，入射光才能被半導(dǎo)體材料吸收產(chǎn)生光生載流子。當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之做線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，這種由受激吸收產(chǎn)生的“電子－空穴”對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在閉合電路中產(chǎn)生光生電流的器件就是簡單的光電二極管7第5章光檢測器和光接收機(jī)3．PIN光電二極管為了改善光電檢測器的響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率，在P型材料和N型材料之間加一個(gè)I層（本征耗盡層），它是輕摻雜的N型材料，由于摻雜濃度較輕，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散可以形成一個(gè)很寬的耗盡層。這就是PIN光電二極管（PIN-PD），如圖5-1-2所示。8第5章光檢測器和光接收機(jī)4．雪崩光電二極管（1）工作原理雪崩光電二極管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上已考慮到能承受高反向偏壓，在PN結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)高電場區(qū)。光生載流子經(jīng)過高場區(qū)時(shí)被加速，獲得足夠能量，它們?cè)诟咚龠\(yùn)動(dòng)中與晶格碰撞，使晶體中的原子電離，激發(fā)出新的電子－空穴對(duì)（碰撞電離），這個(gè)電子－空穴對(duì)稱為二次電子－空穴對(duì)。多次碰撞電離的結(jié)果，使載流子迅速增加，反向電流迅速加大，形成雪崩倍增效應(yīng)。

（2）結(jié)構(gòu)常用的APD有兩種類型

保護(hù)環(huán)型（GAPD）拉通型（RAPD）

10第5章光檢測器和光接收機(jī)4．雪崩光電二極管拉通型（RAPD）由N+區(qū)、P區(qū)、I區(qū)和P＋區(qū)四層結(jié)構(gòu)組成.①未加電壓時(shí)，N＋區(qū)與P區(qū)形成PN結(jié)。P區(qū)摻雜較輕，耗盡區(qū)較寬。加小的反偏壓時(shí)，耗盡區(qū)增寬，繼續(xù)增大反向偏壓，耗盡區(qū)延伸到P＋區(qū)。

APD二極管的擊穿電壓VB

對(duì)溫度很敏感，需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。12第5章光檢測器和光接收機(jī)1響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度是描述這種器件光電轉(zhuǎn)換能力的物理量。光電轉(zhuǎn)換能力也可以從另一個(gè)角度描述，這就是量子效率η，定義為產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)數(shù)占入射光子數(shù)的百分比。式中，Ip是光生電流，P0

為入射光功率hf為光子能量，e為電子電荷。14第5章光檢測器和光接收機(jī)結(jié)論：響應(yīng)度與量子效率、入射光波的頻率有關(guān)。

R和η都是描述器件光電轉(zhuǎn)換能力的物理量，只是分析的角度不同。R和η之間的關(guān)系為要提高量子效率，必須采取如下從措施：盡量減小光子在表面層的反射率，增加入射到光電二極管中的光子數(shù)。②盡量減小中性區(qū)的厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)被充分地吸收。15第5章光檢測器和光接收機(jī)2．響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是描述光電檢測器對(duì)光信號(hào)變化響應(yīng)速度快慢程度的物理量，一般用上升時(shí)間和下降時(shí)間來表示。所謂上升時(shí)間是PD受階躍光脈沖照射時(shí)，輸出脈沖前沿的10%點(diǎn)到90%點(diǎn)之間的時(shí)間間隔來衡量，如圖所示。16第5章光檢測器和光接收機(jī)渡越時(shí)間：是指耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子穿越耗盡層所需要的時(shí)間，用td表示td＝W/vd

,W－耗盡層寬度，vd－載流子的漂移速度。2)擴(kuò)散時(shí)間：在耗盡區(qū)以外產(chǎn)生的載流子要產(chǎn)生擴(kuò)散，擴(kuò)散時(shí)間用τi來表示。如果擴(kuò)散區(qū)的電場很小，擴(kuò)散時(shí)間很長，由于τi的存在會(huì)產(chǎn)生脈沖拖尾。光檢測器的響應(yīng)時(shí)間受三個(gè)因素影響17第5章光檢測器和光接收機(jī)光檢測器的響應(yīng)時(shí)間受三個(gè)因素影響3)電路的影響：光電檢測電路會(huì)對(duì)響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響，不同的電路時(shí)間常數(shù)，產(chǎn)生的上升時(shí)間是不同的。光檢測器的10％－90％電路上升時(shí)間近似為τRC=2.2RTCT式中：RT－電路的總電阻，CT－電路的總電容?？紤]上述三個(gè)因素的影響，則總的上升時(shí)間為τ=(τ2RC+τ2d+τ2i)1/2

帶寬與上升時(shí)間有關(guān)，一般情況帶寬為上升時(shí)間倒數(shù)的數(shù)量級(jí)。好的Si－PIN上升時(shí)間τ可達(dá)500PS以下，Ge－PIN上升時(shí)間τ可達(dá)100PS以下。18第5章光檢測器和光接收機(jī)4．暗電流是指在規(guī)定的反向電壓下無光照射時(shí)光電二極管的反向電流。

暗電流引起光接收機(jī)噪聲增大，希望越小越好

Ge材料的光電二極管暗電流達(dá)到幾百納安Si材料的光電二極管暗電流只有不到1納安InCaAs材料的光電二極管暗電流也很小暗電流器件表面的泄漏電流－晶體表面缺陷造成流經(jīng)體內(nèi)的本體暗電流－由熱激勵(lì)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)組成20第5章光檢測器和光接收機(jī)對(duì)于APD，由于發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，所以APD還需要用倍增特性來描述。APD的倍增特性有倍增因子G、過剩噪聲指數(shù)x等。倍增因子定義為G：為有雪崩倍增時(shí)光電流的平均值IM與無雪崩倍增時(shí)光電流的平均值IP的比值G=IM/IP

5．倍增特性 APD的倍增因子G隨反向電壓VB的升高而增大。APD的G值一般在40－100之間；21第5章光檢測器和光接收機(jī)5.3光接收機(jī)1．光接收機(jī)的組成直接檢測數(shù)字光纖通信接收機(jī)一般由三個(gè)部分組成，即光接收機(jī)的前端、線性通道和數(shù)據(jù)恢復(fù)三個(gè)部分，如圖所示。

均衡濾波判決器譯碼器自動(dòng)增益控制時(shí)鐘恢復(fù)前放前端線性通道數(shù)據(jù)恢復(fù)主放23第5章光檢測器和光接收機(jī)1)光接收機(jī)前端光接收機(jī)前端的作用是將光纖線路末端耦合到光電檢測器把光比特流轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)變電流，然后進(jìn)行預(yù)放大，以便后一級(jí)進(jìn)一步處理。光接收機(jī)前端一般由光電檢測器和前置放大器組成。

24第5章光檢測器和光接收機(jī)1)光接收機(jī)前端(1)低阻抗前端°°前置放大器無反饋低電阻前端從頻帶要求出發(fā)，使光檢測器的負(fù)載電阻RL滿足RL≤(2πΔfCt)－1Δf為碼速率所要求的前端帶寬，Ct為前端電路的總電容。優(yōu)點(diǎn)：線路簡單、動(dòng)態(tài)范圍較大且無需均衡。缺點(diǎn)：由于輸入阻抗低電路噪聲大、靈敏度低。26第5章光檢測器和光接收機(jī)1)光接收機(jī)前端(2)高阻抗前端為減小低阻抗前端熱噪聲，可采用高阻抗前端設(shè)計(jì)方案，但是負(fù)載阻抗RL增大使前置放大器帶寬和動(dòng)態(tài)范圍減小。當(dāng)比特率較高時(shí)，輸入端信號(hào)的高頻分量損失大，需采用很強(qiáng)的均衡來補(bǔ)償高頻分量損失。所以，高阻抗前端一般只適用于低速系統(tǒng)。27第5章光檢測器和光接收機(jī)1)光接收機(jī)前端(3)跨(互)阻抗前端°°GRL前置放大器跨阻抗前端這種前端將負(fù)載電阻連接為反相放大器的反饋電阻，它是一個(gè)性能優(yōu)良的電流－電壓轉(zhuǎn)換器，即使RL很高，而負(fù)反饋使有效輸入阻抗降低了G倍，從而使其帶寬比高阻抗前端增加了G倍，動(dòng)態(tài)范圍也提高了。所以，具有頻帶寬、噪聲低、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。28第5章光檢測器和光接收機(jī)1)光接收機(jī)前端光接收組件其功能是將經(jīng)光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)經(jīng)組件內(nèi)的光電二極管還原成電信號(hào)。因此，組件的核心是光電二極管和前置放大器。為了輸入與輸出有良好的匹配，組件內(nèi)還有阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。為了使光電二極管工作，還需要配置直流偏置電路。為避免光返回光纖，還應(yīng)采取防反射措施。30第5章光檢測器和光接收機(jī)光接收機(jī)的線性通道由一個(gè)高增益的主放大器和一個(gè)均衡濾波器組成，還包括峰值檢測和自動(dòng)增益控制(AGC)電路，用來控制放大器增益。因?yàn)橹鞣糯笃骱鸵粋€(gè)均衡濾波器起一個(gè)線性系統(tǒng)的作用，故可稱為線性通道，如下圖所示。2）線性通道31第5章光檢測器和光接收機(jī)主放大器的作用有兩個(gè)方面：（1）將前置放大器輸出的信號(hào)放大到判決電路所需要的信號(hào)電平。（2）它還是一個(gè)增益可調(diào)節(jié)的放大器。當(dāng)光檢測器輸出的信號(hào)出現(xiàn)起伏時(shí)，通過光接收機(jī)的自動(dòng)增益控制電路對(duì)主放大器的增益進(jìn)行調(diào)整，以使主放大器的輸出信號(hào)在一定范圍內(nèi)不受輸入信號(hào)的影響。對(duì)APD光接收機(jī)還通過控制APD的偏壓來控制雪崩增益。2）線性通道32第5章光檢測器和光接收機(jī)2）線性通道對(duì)于一個(gè)實(shí)際的傳輸系統(tǒng)（包括信道、放大器、均衡濾波器等），其頻帶總是受限的。對(duì)于一個(gè)頻帶受限系統(tǒng)，它的時(shí)域?qū)⑹菬o限的，也就是說它的輸出波形必定有很長的拖尾，使前后碼元波形重疊，引起碼間干擾，導(dǎo)致誤碼判決。盡管頻帶受限系統(tǒng)的時(shí)域波形總會(huì)有拖尾，但我們可以設(shè)計(jì)具有特定頻譜的波形，使其在判決其它碼元的時(shí)刻，拖尾值為零。通過均衡電路對(duì)失真的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行整形、輸出為碼間干擾盡可能小、有利于判決的波形。通常將輸出波形均衡成具有升余弦頻譜函數(shù)（相頻特性為線性）的特性，此時(shí)碼間干擾最小，最有利于判決。33第5章光檢測器和光接收機(jī)2）線性通道升余弦頻譜函數(shù)為對(duì)上式進(jìn)行傅立葉逆變換，得線性通道的響應(yīng)為上式中的hout（t）相應(yīng)于線性通道輸出的電壓脈沖Vout（t）的形狀。在t＝0判決時(shí)刻，hout（t）＝1，信號(hào)最大；當(dāng)t＝m/B時(shí)hout（t）＝0，而t＝m/B，對(duì)應(yīng)于相鄰比特判決時(shí)刻，所以，本碼不會(huì)干擾鄰碼。34第5章光檢測器和光接收機(jī)本碼判決時(shí)刻鄰碼判決時(shí)刻t0T2T3T4T均衡前的脈沖波形本碼判決時(shí)刻鄰碼判決時(shí)刻t0均衡后的脈沖波形2TT3T4T2）線性通道通過比較知道，沒有均衡濾波器的輸出波形不利于判決，經(jīng)過均衡后的波形，在本碼判決時(shí)刻，波形的瞬時(shí)值應(yīng)為最大值；而這個(gè)本碼波形的拖尾在鄰碼判決時(shí)刻的瞬時(shí)值應(yīng)為零。這樣，即使經(jīng)過均衡以后的輸出波形仍有拖尾，但是這個(gè)拖尾在鄰碼判決的這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻為零，從而不干擾對(duì)鄰碼的判決。因此均衡濾波非常重要。35第5章光檢測器和光接收機(jī)3）數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)恢復(fù)電路由判決電路和時(shí)鐘恢復(fù)電路組成，如果需要與電端機(jī)接口，還需要解碼、解擾和編碼電路，如下圖所示。36第5章光檢測器和光接收機(jī)將升余弦波恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)（首先要提取正確的時(shí)鐘，適當(dāng)移相后在最佳時(shí)刻對(duì)升余弦信號(hào)取樣，與閾值比較以確定“0”或“1”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重建）為了能從均衡器的輸出信號(hào)判決出是“0”碼還是“1”碼，首先要設(shè)法知道應(yīng)在什么時(shí)刻進(jìn)行判決．亦即應(yīng)將“混在”信號(hào)中的時(shí)鐘信號(hào)（又稱定時(shí)信號(hào)）提取出來．3）數(shù)據(jù)恢復(fù)37第5章光檢測器和光接收機(jī)信號(hào)再生示意圖3）．?dāng)?shù)據(jù)恢復(fù)接著再根據(jù)給定的判決門限電平，按照時(shí)鐘信號(hào)所“指定”的瞬間來判決由均衡器送過來的信號(hào)．若信號(hào)電平超過判決門限電平，則判為“l(fā)”碼；低于判決門限電平，則被判為“0”碼．從而把升余弦頻譜脈沖恢復(fù)（再生）為“0”，“1”碼信號(hào)．38第5章光檢測器和光接收機(jī)3）數(shù)據(jù)恢復(fù)眼圖：由于經(jīng)過均衡的信號(hào)是變了形的數(shù)字碼流，用示波器觀看時(shí)看到的是一種與眼睛相似的圖案，稱為眼圖。眼圖形成條件：a、觀測的二進(jìn)制碼流具有隨即性（非周期規(guī)則碼），在同步觸發(fā)掃描下每幀圖案不同。b、示波器的余暉時(shí)間要遠(yuǎn)大于掃描的重復(fù)周期，在同步觸發(fā)下，相互疊加顯示穩(wěn)定的眼圖。c、數(shù)字碼流中的脈沖已經(jīng)不是理想的矩形脈沖，成了升余弦波形。對(duì)眼圖的要求：眼圖張開越大越好，線條要清晰，圖形要穩(wěn)定，單線最好，對(duì)稱性好。39第5章光檢測器和光接收機(jī)眼圖分析法：最佳取樣時(shí)間相應(yīng)于在“1”和“0”信號(hào)電平相差最大的位置，可由眼圖決定，它由不同比特電脈沖頂部疊加而成，上圖為理想的眼圖，下圖為噪聲和時(shí)間抖動(dòng)導(dǎo)致的半張半閉退化眼圖，最佳取樣時(shí)間相應(yīng)于眼睛睜開最大處的時(shí)間。3）數(shù)據(jù)恢復(fù)40第5章光檢測器和光接收機(jī)均衡器移相嵌位、整形非線性處理整形限幅調(diào)諧放大時(shí)鐘恢復(fù)電路方框圖3）數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)鐘恢復(fù)：是指將f＝B的譜分量（時(shí)鐘信號(hào)）與接收信號(hào)分離，向判決電路提供碼間隔TB＝1/B的時(shí)鐘信息，使判決過程同步。41第5章光檢測器和光接收機(jī)2．輔助電路(1)鉗位電路

為了使輸入判決器的信號(hào)穩(wěn)定，在判決器前面加有鉗位電路，它將已均衡波的幅度底部鉗制在一個(gè)固定的電位上。(2)溫度補(bǔ)償電路

由于光接收機(jī)環(huán)境溫度變化時(shí)，雪崩管的增益將發(fā)生變化，導(dǎo)致接收機(jī)的靈敏度發(fā)生變化。為了盡可能減少這種變化，就需要給雪崩管的偏壓加溫度補(bǔ)償電路，使雪崩管的偏壓隨溫度產(chǎn)生相應(yīng)的變化。(3)告警電路

當(dāng)輸入光接收機(jī)的光信號(hào)太弱或無光信號(hào)時(shí)，則由告警電路輸出一個(gè)告警信號(hào)至告警盤。42第5章光檢測器和光接收機(jī)3．光接收模塊和集成光接收機(jī)光接收模塊是指將包括PD管芯和前置放大器以及阻抗匹配電路和電路狀態(tài)監(jiān)視/警示電路，再加上若干光學(xué)元件集成在一個(gè)管殼內(nèi)并形成光接收功能的器件。集成光接收機(jī)與光接收模塊不同，它是采用集成電路工藝技術(shù)把所有的元件集成在一個(gè)芯片上。43第5章光檢測器和光接收機(jī)集成光接收機(jī)設(shè)計(jì)制造有兩種方案，一種稱為混合集成光接收機(jī)，它將電子器件集成在GaAs芯片上，而將光電二極管制造在InP芯片上，然后將InP芯片按下圖所示倒裝式接合法，堆疊在GaAs芯片上，使這兩個(gè)芯片連接起來。44第5章光檢測器和光接收機(jī)4.光收發(fā)一體模塊光收發(fā)一體模塊是將傳統(tǒng)的分離發(fā)射、接收組件合二為一密封在同一管殼內(nèi)的新型光電器件。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：小型化、低成本、高可靠性和高性能，在數(shù)據(jù)通信和電信傳輸中均有廣闊的應(yīng)用前景。45第5章光檢測器和光接收機(jī)5．4光接收機(jī)的噪聲噪聲電磁干擾—來自空間的無線電波、周圍電器設(shè)備及電源波紋等隨機(jī)噪聲—光電轉(zhuǎn)換及放大過程中的隨機(jī)因素所引入的隨機(jī)噪聲按噪聲機(jī)理散粒噪聲熱噪聲按引入部位等光電檢測器噪聲放大器噪聲量子噪聲電流倍增噪聲散粒噪聲熱噪聲46第5章光檢測器和光接收機(jī)5．4光接收機(jī)的噪聲

研究光接收機(jī)噪聲的目的

在一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)是重要組成部分。可以想像，在滿足誤碼率（或信噪比）指標(biāo)要求下，如果需要輸入接收機(jī)的光功率低，則表明這個(gè)光接收機(jī)的靈敏度高，性能好．那么為什么光接收機(jī)的輸入功率不能無限制地降低呢？顯然，是受到了系統(tǒng)中噪聲的限制．主要是光電檢測器和前置放大器噪聲。47第5章光檢測器和光接收機(jī)5．4光接收機(jī)的噪聲對(duì)于多級(jí)放大器的線性通道來說也會(huì)產(chǎn)生噪聲，但主要取決于前置放大器噪聲，因?yàn)闀?huì)被后面的線性通道放大。為了研究光接收機(jī)的性能，就需研究光纖通信系統(tǒng)的噪聲，首先是從接收機(jī)這端引入的噪聲。48第5章光檢測器和光接收機(jī)5．4光接收機(jī)的噪聲光接收機(jī)的噪聲是與信息無關(guān)的隨機(jī)變量，噪聲源從引入過程來分，可分為兩類：光電檢測器引入的噪聲和接收機(jī)電路引入的噪聲。49第5章光檢測器和光接收機(jī)①量子噪聲出現(xiàn)這種噪聲的原因是：由于光波的傳播是由大量光量子（光子）傳播來進(jìn)行的．例如：lmw

頻率為f＝1015Hz的光功率，所對(duì)應(yīng)的每秒鐘接收到的光子數(shù)n應(yīng)為式中，hf是一個(gè)光子具有的能量這樣大量的光量子其相位和幅度都是隨機(jī)的。因此，光電檢測器在某個(gè)時(shí)刻實(shí)際接收到的光子數(shù)，是在一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值附近浮動(dòng)，因而產(chǎn)生了噪聲。從噪聲產(chǎn)生的過程看出，這種噪聲是頑固地依附在信號(hào)上的，用增加發(fā)射光功率，或采用低噪聲放大器都不能減少它的影響．因而，它限制了光接收機(jī)的靈敏度指標(biāo)。50第5章光檢測器和光接收機(jī)②光電檢測器的暗電流噪聲當(dāng)沒有光照射時(shí)，在理想條件下，光電檢測器應(yīng)沒有光電流輸出。但是，實(shí)際上由于熱激勵(lì)、宇宙射線或放射性物質(zhì)的激勵(lì)，在無光的情況下，光電檢測器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流，是一種散粒噪聲。又因上述各種激勵(lì)條件是隨機(jī)的，因此，暗電流亦是隨機(jī)浮動(dòng)的，從而形成了暗電流噪聲。③雪崩管倍增噪聲由于雪崩管的光電倍增作用是隨機(jī)的，是一個(gè)十分復(fù)雜的過程．這種隨機(jī)性，必然要引起雪崩管輸出信號(hào)的浮動(dòng)，從而引入噪聲。51第5章光檢測器和光接收機(jī)漏電流噪聲：是由于器件表面物理特性不完善所致，它與表面積的大小及偏置電壓有關(guān)。背景噪聲：是指輸入光信號(hào)的熱噪聲，與頻率無關(guān)，是一種白噪聲，一般不大，可以忽略。熱噪聲：是指在有限溫度下，導(dǎo)電媒質(zhì)內(nèi)自由電子和震動(dòng)離子間熱相互作用引起的一種隨機(jī)脈動(dòng)，一個(gè)電阻中的這種隨機(jī)脈動(dòng)，即使沒有外加電壓也表現(xiàn)為一種電流波動(dòng)，是一種白噪聲。熱噪聲與光電源無關(guān)，即使沒有光功率輸入，熱噪聲還是存在。52第5章光檢測器和光接收機(jī)⑦光接收機(jī)的放大器噪聲在強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)的光接收機(jī)中，把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)之后，還要經(jīng)過一系列電的放大等電路系統(tǒng)。在這些電路中，電阻將引入熱噪聲；晶體管亦將引入噪聲，尤其是前置放大器晶體管引人的噪聲影響更為嚴(yán)重．在一個(gè)多級(jí)放大器中，每一級(jí)放大器都可能引入附加的噪聲，而且在每一級(jí)放大器里，噪聲和信號(hào)都將同樣地被放大。在這種情況下多級(jí)放大器的第一級(jí)就顯得至關(guān)重要。只要第一級(jí)放大器的增益足夠高，后面各級(jí)放大器對(duì)噪聲的影響就比較小。所以我們更關(guān)心的是前置放大器的噪聲．53第5章光檢測器和光接收機(jī)噪聲的評(píng)價(jià)方法噪聲是一種隨機(jī)性的起伏量，表現(xiàn)為無規(guī)則的起伏，是電信號(hào)中不需要的成分，它會(huì)干擾實(shí)際系統(tǒng)中信號(hào)的傳輸和處理，影響和限制了系統(tǒng)的性能。

由于噪聲電壓Vn(t)的振幅、相位等均隨時(shí)間作無規(guī)則的變化，其瞬時(shí)值的平均為零，即<Vn(t)>=0，因而無法用平均值來評(píng)價(jià)噪聲的大小。但是，其均方值<V2n(t)>是完全確定的，因此，噪聲的大小可以用均方值來表示。54第5章光檢測器和光接收機(jī)1）噪聲的大小可以用均方值來表示對(duì)于散粒噪聲，入射光功率產(chǎn)生的光電二極管電流（忽略平均暗電流Id）為I(t)=Ip+is(t)式中：Ip＝RPo為光檢測器輸出的平均光電流；is為散粒噪聲的電流起伏。則均方散粒噪聲σ2S=2eIPΔf式中Δf為接收機(jī)帶寬。對(duì)于熱噪聲，產(chǎn)生的原因是負(fù)載電阻RL內(nèi)部的自由電子或電荷載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的噪聲。附加的熱噪聲用iT(t)表示，則均方熱噪聲電流為σ2T=<iT(t)>=(4kBT/RL)Δf式中：kB＝1.38×10-23JK-1為玻耳茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度如果放大器的噪聲指數(shù)為Fn，則該噪聲經(jīng)放大器要擴(kuò)大Fn倍。由此獲得總的均方噪聲電流為σ2=σ2S+σ2T55第5章光檢測器和光接收機(jī)2）信噪比（SNR)信噪比(SNR)是評(píng)價(jià)光接收機(jī)性能的重要指標(biāo)，其定義為平均信號(hào)功率和噪聲功率的比值按照這個(gè)定義，對(duì)所有光接收機(jī)的各個(gè)過程引入的噪聲都可以做定量分析。對(duì)于PIN接收機(jī)，熱噪聲通常占主導(dǎo)地位，散粒噪聲可以忽略，則PIN光接收機(jī)的信噪比為：上式表明，在熱噪聲限制下，SNR與PO的平方成正比，而且與RL成正比，這說明可以通過使用大的負(fù)載電阻RL來提高SNR，這也是大多數(shù)光接收機(jī)采用高阻抗或互阻抗前端的原因之一。56第5章光檢測器和光接收機(jī)1．光接收機(jī)的誤碼率分析光接收機(jī)的誤碼率BER定義為錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)與傳輸?shù)拇a元總數(shù)的比值。對(duì)于數(shù)字光接收機(jī)，數(shù)字信號(hào)的恢復(fù)是由判決電路判定，判決電路接收到的波動(dòng)信號(hào)如圖所示。陰影部分表示出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況。5．5光接收機(jī)的誤碼率和接受靈敏度

光接收機(jī)的誤碼率和靈敏度是描述光接收機(jī)準(zhǔn)確檢測光信號(hào)能力的性能指標(biāo)。57第5章光檢測